適用于復雜氣象條件中的大環(huán)螺旋天線設計與優(yōu)化*

張樹偉 信 陽 王孝華 王世宇

（1.中國人民解放軍92132部隊 青島 266071）（2.成都信息工程大學大氣科學學院 成都 610225）（3.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）

1 引言

水下航行器能夠通過漂浮在海面上的超高頻拖曳天線接收衛(wèi)星信號［1］。當通信衛(wèi)星與拖曳天線之間的信道環(huán)境發(fā)生變化時，超高頻衛(wèi)星信號在此信道中的傳播過程隨之發(fā)生變化。海水是超高頻電磁波的良導體，加之海水空氣濕度大、含鹽量高，因此海上的氣象環(huán)境對于超高頻拖曳天線有著較大的影響［2～4］。

一般來講，海上的復雜氣象條件對于超高頻拖曳天線的具體影響具體表現(xiàn)在電磁波在雨水中的衰減、在高出天線部分海浪中的衰減和動態(tài)海浪對天線姿態(tài)的影響［5］。

圖1為水下航行器通過超高頻拖曳天線與衛(wèi)星通信的示意圖。

本文首先根據(jù)拖曳線纜的內(nèi)部空間結構，設計出大環(huán)螺旋天線，然后基于FEKO電磁仿真軟件對大環(huán)螺旋天線進行了仿真計算。

圖2為拖曳線纜末端的漂浮線纜，內(nèi)部包括天線、記憶金屬和浮力泡沫［6］。通電后，記憶金屬會形成“圈”型，提高拖曳天線在海面上的穩(wěn)定性。該“圈”型結構能夠有效避免超高頻拖曳天線被海水淹沒，是衛(wèi)星在超高頻頻段與水下航行器通信的現(xiàn)實基礎。

圖2 “圈”型記憶金屬浮力線纜

2 理論分析

超高頻衛(wèi)星與拖曳天線進行通信時，信道主要包括空氣、云層和降雨［7］。因此選用抗雨衰效果較好的Ku波段電磁波進行通信設計。

因為電場在水下的傳播損耗較大，磁性天線在近海面空間相較于電天線更具優(yōu)勢［8］。在超高頻頻段，沒有合適的磁性材料可以采用，只能通過提高工作頻段的方式，使得天線體積滿足能置入拖曳線纜內(nèi)部的要求［9］。

一般磁性天線的方向圖與電偶極子天線的方向圖類似，呈現(xiàn)“8”字形，在天線軸向方向存在增益極低的方向圖缺口［10］。如圖3和圖4所示，大環(huán)天線與小環(huán)螺旋天線的方向圖為相互正交的“8”字形圖。

圖3 大環(huán)天線的方向圖

圖4 小環(huán)螺旋天線（磁棒）的方向圖

在復雜氣象條件中，天線姿態(tài)隨海浪動態(tài)變化，“8”字形的方向圖不能有效接收來自可能任意一個方向的電磁波［11］。本文通過將大環(huán)天線與小環(huán)螺旋天線相結合，設計出大環(huán)螺旋天線并進行優(yōu)化。

在Ku頻段，磁性天線能夠滿足天線的外形要求［12］。對典型磁性天線的磁環(huán)大小進行改進，使得磁環(huán)相對于電磁波波長為電大環(huán)；采用兩組旋轉方向相反的螺旋磁環(huán)相接，降低線圈之間的感應電場，組成反射系數(shù)更低、增益更高的磁性天線。圖5為大環(huán)螺旋天線的結構示意圖。

圖5 大環(huán)螺旋天線的結構示意圖

將電磁波在空氣中的波長取值設為λ1；將電磁波在海水中的波長取值設為λ2。大環(huán)螺旋天線結構中的磁環(huán)直徑為工作頻率對應的電磁波在空氣中的半波長，即使得磁環(huán)相對于電磁波波長為電大環(huán)；采用兩組旋轉方向相反、匝數(shù)相同的兩組螺旋磁環(huán)對稱相接；在天線下方采用長度為g的短連接線和長度為l的直線振子將螺旋線圈首尾相接；g為電磁波在海水中的半波長，即g=λ2/2。因為電磁波在海水中的波長遠小于電磁波在空氣中的波長，將短連接線的取值定為g=λ2/2，有利于直線振子與線圈之間產(chǎn)生感應電流。

兩組螺旋磁環(huán)的電感量如圖所示分別為L1和L2。若兩組螺旋磁環(huán)的旋轉方向相同，則線圈的總電感值為

由式（3）可知，兩組旋轉方向相反的螺旋線圈相接時，電感值大于零且小于兩組旋轉方向相同的線圈。

所以本文設計的大環(huán)螺旋天線具有感抗值更低，即反射系數(shù)更低的優(yōu)點。

在Ku頻段，取12.75GHz為設計頻率，通過增大磁環(huán)半徑，設計出大環(huán)螺旋天線。天線長度和圓環(huán)直徑均取值為半波長。通過對比不同匝數(shù)的天線性能，將大環(huán)磁性天線的匝數(shù)確定為10匝。

3 仿真驗證

圖6為大環(huán)螺旋天線的增益立體圖和表面分布圖。從圖中可以看出，大環(huán)螺旋天線的方向圖，相對于磁棒天線的“8”字形方向圖，在天線軸向方向的增益得到了較大補償。大環(huán)螺旋天線的全向性較磁棒天線和大環(huán)天線的全向性有所提升，但仍存在改進空間。

圖6 大環(huán)螺旋天線的增益立體圖和表面分布圖

圖7為大環(huán)螺旋天線的反射系數(shù)隨頻率變化關系。按照電磁波理論半波長設計的大環(huán)螺旋天線，諧振頻率偏移至14.3GHz。調(diào)整大環(huán)螺旋天線的諧振頻率有以下幾種方法：減少線圈匝數(shù)、延長天線長度等。

圖7 大環(huán)螺旋天線的反射系數(shù)

圖8、圖9分別為根據(jù)以上兩種方法對大環(huán)螺旋天線性能的諧振頻率調(diào)整結果。圖8中4、6、8分別代表線圈匝數(shù)。對比圖8和圖9可以看出，匝數(shù)只能在小范圍調(diào)整。調(diào)整匝數(shù)不能完全將天線諧振頻率調(diào)整至工作頻率。從圖8和圖9可以看出，8匝的大環(huán)磁性天線諧振頻率由14GHz調(diào)整至了11.8GHz。通過調(diào)整天線長度對諧振頻率進行調(diào)整的方法，對天線諧振頻率的影響較大。圖10和圖11是在線圈匝數(shù)為8的基礎上對天線長度進行調(diào)整。

圖8 線圈匝數(shù)對大環(huán)螺旋天線諧振頻率的影響

圖9 天線長度縮短2mm時的反射系數(shù)

結合圖7～9可知，通過調(diào)整線圈匝數(shù)的諧振頻率方法為“微調(diào)”，調(diào)節(jié)天線長度的方法為“粗調(diào)”。將微調(diào)與粗調(diào)相結合，設計天線匝數(shù)為10匝，天線長度較半波長延長2mm。所得天線性能如圖10、圖11所示。對比圖6與圖10，優(yōu)化后的大環(huán)磁性天線全向性得到了顯著提升。

圖10 優(yōu)化后大環(huán)螺旋天線的方向圖與增益

圖11 優(yōu)化后大環(huán)螺旋天線的反射系數(shù)

綜上所述，得知大環(huán)螺旋天線的全向性較磁棒天線和大環(huán)天線等典型磁性天線有較大改善，能夠在復雜的氣象環(huán)境中保持全向性。

4 結語

本文概述了復雜氣象條件對于超高頻空對潛通信產(chǎn)生影響的具體因素；根據(jù)天線原理和拖曳線纜實際空間設計了大環(huán)螺旋天線結構；通過FEKO電磁仿真軟件對Ku波段大環(huán)螺旋天線的增益、方向性和反射系數(shù)進行了仿真計算；多次對比不同結構參數(shù)的Ku波段大環(huán)螺旋天線性能，并對其進行優(yōu)化。優(yōu)化后Ku波段大環(huán)螺旋天線的增益為8dBi，諧振頻點處的反射系數(shù)低于0.3，全向性較好，能夠在復雜氣象環(huán)境引起的動態(tài)海浪中接收來自衛(wèi)星的超高頻信號。